Оренбург Палласа интересовал как крупный центр торговли, где каждую весну собирались многочисленные караваны из Центральной России, Сибири, Средней Азии. Из Оренбурга Паллас совершил несколько поездок по окрестностям, а затем более дальние — к Илецким соляным заводам, в Орскую крепость, где осмотрел несколько медных рудников. Затем он направился в Яицкий городок — столицу яицкого казачества. Там он познакомился с обычаями казаков, их занятиями и промыслами. Особенно его заинтересовал их главный промысел — рыбная ловля. В связи с этим он изучил видовой состав рыб в Яике.
12 августа Паллас выехал в Гурьев, расположенный в устье Яика. Он отметил, что на этом пути «земля и травы заметно переменяются. Голая степь чем дальше, тем ровнее».
По дороге он собрал подробные расспросные сведения об одном из крупнейших Камыш-Самарских озер. «С северной стороны впали в него две посредственные (то есть узкие), сильно лесом заросшие речки — Большой и Малый Узень. По берегам озера растет камыш. Всю восточную сторону озера окружают… барханы, мало разнящиеся от Рын-песков». Паллас осмотрел озеро Индер и окружающие его высоты: «Этот горный хребет состоит из. нарочито высоких, при Яицкой стороне утесистых, а после помалу возвышающихся каменных гор». Он отметил, что из них везде бьет соленая вода. До самого Гурьева он наблюдал «низкую мокрую и соленую страну».
Примерно за 30 верст от Гурьева Палласа встретил Лепехин, приплывший по Яику на двух лодках, далее в Гурьев Паллас следовал по реке. Ознакомившись в Гурьеве со сведениями о колебании уровня Каспия, он сделал правильный вывод, что уровень моря зависит от климатических факторов. Паллас первым исследовал часть Прикаспийской низменности. Он описал и нанес на карту устье Яика. Поздней осенью Паллас возвратился в Яицкий городок и затем направился в Уфу, где провел зиму.
Знакомство с рельефом Уральских гор позволило ему впервые разработать схему их общего строения. Эта схема впоследствии легла в основу его теории образования горных хребтов Земли. Из Челябинска он направился в Екатеринбург по восточному склону невысокого здесь Урала, мимо многочисленных озер, также им подробно описанных, и вдоль верхней Чусовой, причем отметил, что река Чусовая вытекает из отрога главного Уральского хребта.
Палас был в восхищении от богатств восточных склонов Уральских гор. Он отмечал наличие там мощных рудных месторождений, плодородность почв, наличие прекрасных пасбищ; к северу от Екатеринбурга, в истоках Туры, осмотрел знаменитое железнорудное месторождение — гору Благодать.
За лето 1770 года ученый проследил и описал восточный склон Уральских гор на протяжении почти 700 километров. Зимовал он в Челябинске, куда в октябре прибыли капитан Н. П. Рычков, описавший по заданию Палласа северные уезды Казанской губернии, и студент Н. П. Соколов. Последний привез богатые коллекции с Яика и побережья Каспия. «Многие есть причины благодарить сего прилежного студента за его труды, — писал Паллас. — Пробыв долгое время в тех южных странах и пользовавшись благосклонностию вожделенной погоды, имел он случай приметить многих зверей, птиц, насекомых и произрастений, каких мне во время моею поездки. учинить не удалося».
Паллас посетил Тобольск, столицу Сибири. В Челябинск он возвратился вместе с начальником 2-го Оренбургского отряда адъюнктом И. И. Лепехиным. А уже в начале января в Академию наук были посланы рапорты Палласа и Лепехина: в связи с завершением ранее намеченных исследований в Оренбургском крае необходимо продолжить изучение других районов страны. Ученые считали необходимым, чтобы Лепехин обследовал северную часть Казанской губернии и побережье Белого моря, а Паллас — Южную Сибирь.
Получив согласие Академии наук на продолжение путешествия, Паллас для охвата наблюдениями более обширных районов выделил из своего отряда группу во главе со студентом Василием Федоровичем Зуевым. В конце февраля 1771 года Зуев выехал из Челябинска в Тобольск, а затем, проехав зимней дорогой по Оби 900 верст, добрался до Березова на реке Сосьве, притоке Оби. После вскрытия Оби он поплыл на лодке вниз по течению к Обдорску (теперь Салехард), расположенному у Полярного круга. Летом он на оленях проследовал далее и достиг северо-восточных предгорий Урала, от вершины Байдарацкой губы повернул на северо-запад.
Василий Зуев проследил восточный склон Полярного Урала на 170 километров от Константинова Камня и обогнул его с севера. Он продвинулся до устья реки Кары и открыл юго-восточный край хребта Пай-Хой. Знаменитый русский географ и путешественник П. П. Семенов-Тян-Шанский написал о его подвиге: «Первым путешественником, пересекшим «Северный Урал на пути из Обдорска к Карской губе еще в 1771 году, был состоявший при экспедиции Палласа студент Зуев». Сам Паллас высоко оценил исследования, проведенные Зуевым, и широко использовал его отчетные материалы при написании книги о своих путешествиях по России.
Зуев нагнал Палласа только в январе 1772 года у Красноярска. Он доставил туда собранные им коллекции растений, животных и образцов горных пород. Привез он в Красноярск и живого белого медвежонка, и Паллас отметил, «через то мог я сделать описание сего зоологами еще не описанного зверя».
Из Челябинска Паллас выехал 16 апреля 1771 года, пересек Ишимскую степь и достиг Омска. Затем путь его прошел вдоль Иртыша. Возле станицы Соленый Поворот дорога поворачивала от Иртыша в Барабинскую степь к Карасукским соляным озерам, которые Паллас исследовал более трех недель. Оттуда отряд добрался до крепости Семипалатной (теперь город Семипалатинск). Далее Паллас вступил в пределы Алтая и осмотрел его северо-западную часть — бассейн Верхнего Алея, причем в излучине этого левого притока Оби выделил Колыванский хребет.
Иоганн Готлиб Георги
В Красноярске в отряд Палласа был откомандирован доктор медицины Поган Готлиб Георги. Паллас с Георги в начале марта 1772 года покинули Красноярск и через неделю добрались до Иркутска. Паллас направился к истоку Ангары, где река стеснена с обоих берегов горами. Он по льду пересек Байкал. В низовьях Селенги его поразили «страшные горы и леса… где Селенга хребет пробивает». Дорога по льду реки Селенги уже испортилась, но Паллас сумел добраться до Селенгинска, а оттуда — в торговую слободу Кяхту на границе с Китаем. Там были подробно изучены объемы и характер русскокитайской торговли, приносившей казне доход до 550 тысяч рублей в год (для тех времен очень солидная сумма).
На обратном пути, летом, Паллас вновь переправился через Байкал. Именно тогда он первым описал рыбу голомянку — вид, обитающий только в Байкале. Ученый высказал провидческие мысли о происхождении Байкала: озеро представляет собой провал, трещину в земной коре. «Самое море подобно ужасной пропасти, которая разбитые хребты берегами себе имеет».
Дорога из Сибири в Петербург заняла почти полтора года. Он вновь пересек Урал на одном из самых низких и широких участков. Переправившись через Каму он двинулся на юг и добрался до Яика. Паллас обследовал реки Прикаспийской низменности и район Нижней и Средней Волги, дал характеристику длинной цепи (около 160 километров) горько-соленых Сарпинских озер. Осенью 1773 года он исследовал озера Эльтон и Баскунчак, а также горы Большое и Малое Богдо.
По заданию Палласа студент Никита Соколов весной 1773 года из Царицына направился на юг, в районы рек Кума и Маныч, и обследовал весь их бассейн. Наблюдения Соколова и собственные исследования позволили Палласу сделать вывод, что ранее Каспийское море имело значительно большую площадь и соединялось посредством Манычской долины с Азовским и Черным морями. Паллас на составленной им карте впервые сравнительно правильно изобразил территорию, прилегающую к северо-западному берегу Каспия. Зимовал он в Царицыне (теперь Волгоград) и в июле 1774 года возвратился в столицу.
Исследования и наблюдения Палласа и его спутников, проведенные в ходе экспедиции 1768–1774 годов, составили целую эпоху в изучении России. Был собран громадный геолого-географический, этнографический, ботанический и особенно зоологический материал. Паллас открыл и описал множество видов животных и стал одним из основоположников зоогеографии. Считается, что он заложил фундамент геологических знаний о Европейской части России, Урале и южной части Сибири.
После возвращения из экспедиции Паллас 20 лет прожил в Петербурге. За это время на основе своих полевых записей и собранных коллекций он написал большое количество трудов по зоологии, ботанике, энтомологии, геологии, этнографии и стал одним из виднейших европейских натуралистов.
В 1793–1794 годах он совершил путешествие через Царицын и Сарепту до Астрахани, затем в Калмыцкие степи, по Азовскому побережью и Крыму. Осенью 1795 года он с семьей переехал в Крым и поселился в пожалованных императрицей землях. Там он прожил 15 лет, работая над завершением капитальной «Российско-Азиатской зоогеографии» и проводя исследования флоры, фауны, геологии, истории и хозяйства Крыма.
